ИТОГ-КСЕ-ДО в PDF раздача 2015.pdf

М2. УЕ 2.4-2.5. Естественнонаучная картина мира: основные концепции

Наконец, четвертый основной вид, относящийся к разряду неправильных галактик (молодые). Общий их количественный состав не превышает 5% от всех галактических образований.

В 1785 г. В. Гершель установил форму нашей галактики (Млечный путь) – двойная скрученная спираль, которая представляется диском с утолщением в центре, имеющая четыре вытянутых рукава. Сбоку Галактика имеет вид летающей тарелки. Скорость вращения Галактики – 240 км в сек. Солнечная система располагается на 2/3 расстояния от центра в промежутке между рукавами, поэтому мы можем наблюдать другие галактики: Туманность Андромеды, Магеллановы облака и т.д.

Наша галактика состоит почти из 200 миллиардов звезд. Старые звезды, расположенные в центре диска, составляют гало, а молодые звезды – рукава галактики.

Возраст звезд в нашей галактике лежит в диапазоне от 15 млрд. лет (что соответствует возрасту Вселенной) до сотен тысяч. Звезды в Галактике находятся в состоянии движения: молодые звезды движутся по круговым траекториям вокруг почти неподвижных старых звезд. Солнце делает вместе со всей Галактикой один оборот за 230 млн. лет.

Как измеряются расстояния в космосе?

1)Тригонометрически, когда известна одна сторона треугольника и два угла, то путем несложных расчетов можно получить длину других сторон. В астрономии роль базиса играет диаметр Земной орбиты. Таким образом можно измерить расстояния до 100 световых лет.

2)С использованием переменных звезд, которые периодически изменяют свою светимость. Чем больше период изменения блеска звезды, тем ярче сама звезда. Т.е. по периоду изменения яркости можно узнать светимость звезды, а светимость обратно пропорциональна квадрату расстояния. Это способ позволяет измерять расстояния до 15 млн. световых лет.

3)В большинстве галактик имеются шаровые звездные скопления. Известно, что истинная светимость ярчайших шаровых скоплений одинакова для всех галактик. Можно определить расстояния до 60 млн. световых лет.

Как измеряется скорость движения небесных объектов?

С достоверностью можно определить только приближение или удаление небесных тел – путем изучения сдвига линий в спектре звезд (спектральный анализ) к голубому или красному концу, т.н. «красное или голубое смещение». Чем сильнее смещение, тем выше линейная скорость.

Спектральный анализ является одним из основных методов исследования Вселенной: он позволяет на основе анализа пришедшего из космоса света установить количественный и качественный состав небесных тел, их температуру, скорость движения по лучу зрения и т.п.

Единицы измерения Астрономическая единица – это расстояние, равное расстоянию от

Земли до Солнца. В качестве единиц длины для измерения расстояния между галактиками чаще всего используют световые годы и парсеки

Парсек – единица измерения расстояния, равная 3,3 светового года. Световой год – единица длины, равная расстоянию, проходимому светом

за один год.

87

Метагалактика

Метагалактика − это доступная наблюдениям часть Вселенной. Метагалактика представляет собой упорядоченную систему галактик.

Современные астрономические данные свидетельствуют о том, что Метагалактика имеет сетчатую (ячеистую) структуру, т.е. галактики распределены в ней не равномерно, а вдоль определенных линий − как бы по границам ячеек сетки. Такое строение свидетельствует, что в небольших объемах Метагалактика неоднородна.

Вселенная

Космогония – это раздел астрономии, изучающий происхождение, структуру и развитие космических тел (планеты, звезды и т.д.) и их систем (галактик, метагалактики, Вселенной).

Научная космология начала развиваться в XX веке на основе общей теории относительности и квантовой теории поля.

Эволюция представлений о Вселенной

Представления о Вселенной претерпели серьезные изменения.

1)Космологические представления Аристотеля:

!Вселенная ограничена сферой, на которой находятся звезды. За этой сферой ничего нет. В центре Вселенной – земля.

!Шарообразная Вселенная неоднородна: в подлунном мире все состоит из земли, воды, воздуха, огня; в надлунном мире вплоть до ограничивающей сферы все заполнено гипотетическим эфиром.

2)Геоцентрическая система Птолемея (развитие идей Аристотеля)

Вцентре Вселенной сферическая Земля, а вокруг нее обращаются Луна, Солнце, планеты по сложной системе окружностей – «эпициклов», «деферентов», и, наконец, все это было заключено в сферу неподвижных звезд.

3) Гелиоцентрическая система Коперника

Вцентре мира неподвижное Солнце, вокруг которого обращаются планеты (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутоний)

4) Ньютоновская космология (в ее основе лежит система Коперника) Вселенная – безграничная, бесконечная, однородная, неизменная.

5) Вселенная Эйнштейна

Вселенная однородна, изотропна, бесконечна во времени и безгранична, равномерно заполнена материей, преимущественно в форме вещества.

6) Космологическая модель Фридмана

Модель однородной изотропной горячей нестационарной расширяющейся Вселенной основана на уравнениях, выведенных из общей теории относительности и описывает нестационарную эволюцию Вселенной.

88

М2. УЕ 2.4-2.5. Естественнонаучная картина мира: основные концепции

Усовершенствуя идеи Фридмана о расширяющейся Вселенной, в 1948 году американским физиком Дж. Гамовым была предложена модель происхожде-

ния Вселенной - модель «Большого Взрыва»

Вся наблюдаемая нами Вселенная возникла 15–20 млрд лет назад в результате катастрофического взрыва материи, находившейся до того в чудовищно сжатом, сверхплотном и сверхгорячем состоянии, недоступном пока для понимания и описания в рамках современной физики, когда бесконечно плотная масса и энергия сосредоточены в математической точке с объемом, равным нулю. Этот сгусток материи теперь называют «сингулярностью», покоящейся в бесконечной пустоте.

Сингулярность – это начальное состояние Вселенной. Физического толкования сингулярность не имеет. Полагают, что там нарушены все привычные формы материи, законы, управляющие их поведением, пространственно– временной континуум. Это «хаос», из которого впоследствии шаг за шагом формировался «порядок». Подобное состояние неустойчиво, оно непременно приводит к взрыву, вслед за которым начинается расширение Вселенной.

Взрыв сопровождался сначала быстрым, а потом более умеренным расширением и, соответственно, постепенным охлаждением Вселенной. Дальнейшая эволюция происходила поэтапно и сопровождалась, с одной стороны, дифференциацией, а с другой − усложнением структур.

Доказательства концепции А. Фридмана, а также стандартной модели эволюции Вселенной (модель «Большого Взрыва»)

А) В 1929 году Э.Хаббл с помощью телескопа, оснащенного приборами спектрального анализа, обнаружил, что свет, идущий от галактик, которые он наблюдал, смещался в красную часть цветового спектра видимого света («красное смещение»). Это говорило о том, что наблюдаемые Галактики удаляются, «разбегаются» от наблюдателя. Исследования Э. Хаббла подтвердили, что удаленные от нас галактики разбегаются, т.е. Вселенная находится в состоянии расширения, а значит, нестационарна.

Б) В 1964 г. американскими астрофизиками А.Пензиасом и Р.Вильсоном было обнаружено реликтовое излучение − космическое микроволновое фоновое радиоизлучение («эхо «Большого взрыва»«). Его свойства были предсказаны в Модели «Большого взрыва».

Будущее Вселенной

Возможны два варианта эволюции нестационарной Вселенной:

!бесконечное расширение;

!пульсирующее расширение и сжатие.

89

Будущее Вселенной зависит от средней плотности вещества во Вселенной

иот значений постоянной Хаббла12:

!Если средняя плотность окажется равной или ниже критической плотности (10–29 г/см3), то расширение будет вечно.

!Если средняя плотность окажется выше критической, то расширение под действием сил гравитации через сотни миллиардов лет сменится сжатием, которое должно будет завершиться коллапсом (катастро-

фическим сжатием) всей заключенной в ней материи.

Рассчитанная в настоящее время плотность всего видимого вещества во Вселенной не превышает 10% от критической. Однако совсем недавно во Вселенной обнаружили присутствие «темного вещества», ничем не проявляющего себя, кроме гравитационного поля. Эта «скрытая» материя по теоретическим подсчетам должна составлять не менее 80% общей массы Вселенной.

Таким образом, окончательный ответ на это вопрос еще не получен. Самая большая трудность для ученых возникает при объяснении причин

космической эволюции. Можно выделить две основные концепции, объясняющие эволюцию Вселенной: концепцию самоорганизации и концепцию креационизма.

Концепция самоорганизации Вселенной

Материальная Вселенная является единственной реальностью, и никакой другой реальности помимо нее не существует. Эволюция Вселенной описывается в терминах самоорганизации: идет самопроизвольное упорядочивание систем в направлении становления все более сложных структур. Динамический хаос порождает порядок. Вопрос о цели не ставится.

Концепция креационизма (Созидания Вселенной)

Физическая структура Вселенной запрограммирована и направлена к появлению жизни. Конечная цель космической эволюции – появление человека в соответствии с замыслом Творца. В качестве аргумента привлекается антропный (человеческий) принцип.

Антропный принцип говорит о том, что в начале Вселенной был план мироздания, венцом этого плана является возникновение жизни, а венцом жизни – человек.

Антропный принцип утверждает, что Вселенная такая, какая она есть потому, что есть наблюдатель или же он должен появиться на определенном этапе развития. Доказательством служит существование фундаментальных физических констант.

Фундаментальными константами являются: скорость света (с), постоянная Планка (h), заряд электрона (е), масса электрона (me), масса протона (mp), масса нейтрона (mn), средняя плотность во Вселенной (10–29 г/см3), гравитационная

12 Постоянная Хаббла – коэффициент, который связывает расстояние до галактики, например, со скоростью ее удаления.

90

М2. УЕ 2.4-2.5. Естественнонаучная картина мира: основные концепции

постоянная, электромагнитная постоянная. Именно они определяют особенности Вселенной, от них зависят размеры атомов, ядер, планет, звезд и т.д. Они полностью взаимосвязаны.

Если бы эти значения отличались хотя бы на ничтожную величину от существующих, то была бы невозможна не только Жизнь, но и вся Вселенная. Например, увеличение постоянной Планка более чем на 15% лишает протон возможности соединиться с нейтроном, а значит, становится невозможным нуклеосинтез. Тот же результат получается, если увеличить массу протона на 30%. Если эти постоянные уменьшить, то тогда открывается возможность образования устойчивого ядра гелия, что привело бы к выгоранию всего водорода на ранней стадии формирования Вселенной.

91

Цель изучения

1.Углубить представления об основных химических понятиях (атом, молекула, соединение, связь).

2.Получить представления о сути учения о составе вещества.

3.Разобраться с проблемами химического элемента, химического соединения и производства новых материалов.

Что Вы должны знать и уметь перед началом изучения

▪ знать химию в объеме школьной программы.

В результате изучения Вы будете знать

▪основные химические понятия;

▪суть учения о составе вещества, структурной химии;

▪суть проблем химического элемента, химического соединения и производства новых материалов.

Ход изучения

1.Прочитайте теоретическую часть УЕ 3.1.

2.Рассмотрите приведенные примеры (где приведены).

3.По ходу изучения отвечайте на вопросы (самоконтроль):

а) Покажите разницу между понятиями атом, изотоп, молекула? б) Покажите значение открытия периодической таблицы элементов Менделеева?

в) Покажите отличия между типами химических связей?

г) В чем состоит суть учения о составе вещества, структурной химии, учения о химическом процессе и эволюционной химии»?

92

М3. УЕ 3.1. Естественнонаучная картина мира: основные концепции

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ УЕ 3.1. Концептуальные основы химии

▪Атом – единая квантово-механическая система, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.

▪Атомная масса элемента – масса его атома, выраженная в атомных единицах массы.

▪Изотоп – разновидность атомов одного и того же элемента с одинаковым зарядом ядра, но с различными массами.

▪Молекула – это наименьшая структурная единица химического соединения, которая образована в результате электромагнитного взаимодействия электронов и ядер атомов.

▪Химия – наука о химических элементах и их соединениях, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения.

▪Химическое соединение – качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицы − молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты (системы).

▪Химический элемент – вид атомов (химически не связанных друг с другом) с одинаковым зарядом ядра.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ УЕ 3.1. Концептуальные основы химии

Химия - наука о химических элементах и их соединениях, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения.

Задача химии - получение веществ с необходимыми свойствами. Но чтобы решать эту производственную задачу, химия должна решать теоретическую задачу происхождения свойств вещества.

Таким образом, основанием химии выступает двуединая проблема - получение веществ с заданными свойствами и выявление способов управления свойствами вещества.

Существует четыре периода в развитии химии, каждый из которых соответствует появлению нового уровня химических знаний - новой концептуальной основы.

I. Учение о составе вещества (1660 г.). Исследование различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами.

II. Структурная химия (1800 г.). Исследование структуры, т.е. способа взаимодействия элементов вещества, и установление связи свойств веществ не только с составом, но и со структурой молекул.

93

III. Учение о химическом процессе (1950 г.). Исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов.

IV. Эволюционная химия (1970 г.). Более глубокое изучение природы и условий протекания химических процессов. Основополагающим становится использование в процессах получения целевых продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т. е. к самоорганизации химических систем.

I. Учение о составе

Учение о составе вещества охватывает три основные проблемы:

А. Проблема химического элемента – что такое химические элементы, из которых состоит вещество?

Б. Проблема химического соединения – что считать смесью, а что химиче-

ским соединением? Обладает ли такое соединение постоянным или переменным составом?

В. Проблема вовлечения и применения все большего числа химических элементов для производства новых материалов – как решить все возрастающие потребности человечества в материалах без ущерба для природы?

А. Проблема химического элемента

Исторические корни решения этой проблемы находятся в глубокой древности. Концепция атомизма, впервые предложенная древнегреческим философом Левкиппом, развита Демокритом и Эпикуром (V в до н.э.). Под атомами понимались неделимые, плотные, непроницаемые, не содержащие в себе никакой пустоты частицы; атомы бесконечны по числу и разнообразию их формы и находятся в постоянном движении.

Современные понятия об атоме и молекуле создала химия.

ВXVII в. Р. Бойль дал первое научное определение понятия «химический элемент». Химический элемент рассматривался как простое тело, предел химического разложения вещества, переходящее без изменения из состава одного сложного тела в состав другого. При этом свойства и качества тел зависят то того, из каких элементов они состоят. Однако ученые в это время еще не знали ни одного химического элемента.

В1680-1760-е годы появились точные количественные методы анализа вещества, которые способствовали открытию истинных химических элементов. А. Л. Лавуазье принадлежит первая в истории химии попытка систематизации химических элементов.

ВXVIII в. английский химик Дж. Дальтон, возродил идеи Демокрита и выдвинул следующие положения:

1. Атомы представляют собой мельчайшие частицы вещества, которые невозможно разделить на составные части или превратить друг в друга.

2. Атомы нельзя уничтожить.

3. Все атомы одного элемента совершенно одинаковы и имеют одинаковый вес.

94

электрон

нейтрон

С современной точки атом представляет квантовомеханическую систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной оболочки. того, это наимень-

95